新型自动气象站的校验仪器开发及误差补偿方法研究

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新型自动气象站的校验仪器开发及误差补偿方法研究冯晓宇南京信息工程大学
为满足中国气象局规定自动气象站每两年检定一次的要求,开发新型自动气象站数据采集器的校验设备、完善传感器误差补偿算法对提高气象观测数据质量和我国气象装备产业竞争力具有重要作用。本文分析了新型自动气象站的结构,针对JJQ1型自动气象站信号模拟器存在的问题,对电源、温度、湿度、气压、风向和辐射等电路模块进行改进。针对目前传感器补偿方法的自适应能力较差等问题,提出一种自适应分段补偿算法。主要研究内容有1)分析了CAWS600、ZQZ系列自动气象站采集器的测温原理,利用不同型号的采集器对现有的自动气象站信号模拟器的温度通道进行了测试,指出了测试数据存在抖动的原因,提出其改进电路。基于四线制测温原理,用继电器构造高精度、极低温漂四线制电阻网络,辅以软件补偿,开发适应不同型号采集器的温度通道。(2)针对现有自动气象站信号模拟器的湿度、气压、蒸发、辐射等模拟量输出通道受环境温湿度影响较大的问题,提出一种可编程微弱标准源,以MSP430为主控,完全16位DAC器件和精密调理电路为核心,辅以电源隔离、总线隔离和软件补偿等措施提高精度。对电路进行了温湿度适应性实验和电磁兼容实验,能程控输出020mV的微弱电压和420mA的电流,最大误差分别为±3uV和±2uA,在静电放电和电快速瞬变脉冲群抗扰度实验后,性能保持正常。输出信号为自动气象站采集器湿度、气压、蒸发、辐射等模拟通道的校验提供了标准源。(3)提出一种自适应分段补偿湿度传感器的测量误差的算法。通过实验测试确定湿度传感器受温度影响的误差曲线,利用多元线性回归方法对误差曲线进行分段分析,根据分段结果,分别利用最小二乘法和遗传模拟退火算法改进的BP神经网络(GSA-BP)对不同区间的湿度测量数据进行补偿。建立了补偿函数模型,检验了GSA-BP算法的效率,利用实测数据进行了补偿效果的对比验证。实验结果表明,改进后的自动气象信号模拟器的温度、湿度、气压、蒸发、辐射等通道输出的信号范围和误差满足行业标准QX/T 346—2016《自动气象站信号模拟器》,具有较强的环境温湿度适应性。最小二乘法和GSA-BP相结合对湿度传感器进行误差补偿,切实减少了环境温度对测量结果的影响。这些研究为提高自动气象站的数据观测质量提供了技术手段和理论基础。